1、第 5 章,晶體管的開關(guān)特性,5.1 二極管的開關(guān)作用和 反向恢復(fù)時(shí)間 5.2 開關(guān)晶體管的靜態(tài)特性 5.3 晶體管開關(guān)的動(dòng)態(tài)特性 5.4 習(xí)題,開關(guān)晶體管開關(guān)原理 （靜態(tài)特性） 晶體管到開關(guān)過(guò)程 （延遲過(guò)程、上升過(guò)程、 超量?jī)?chǔ)存電荷消失過(guò)程、 下降過(guò)程） 晶體管的開關(guān)時(shí)間及減小的方法,晶體管（transistor，是轉(zhuǎn)換電阻transfer resistor的縮寫）是一個(gè)多重結(jié)的半導(dǎo)體器件。通常晶體管會(huì)與其他電路器件整合在一起，以獲得電壓、電流或是信號(hào)功率增益。雙極型晶體管（bipolar transistor），或稱雙極結(jié)型晶體管（bipolar junction transistor，B

2、JT），是最重要的半導(dǎo)體器件之一，在高速電路、模擬電路、功率放大等方面具有廣泛的應(yīng)用。雙極型器件是一種電子與空穴皆參與導(dǎo)電過(guò)程的半導(dǎo)體器件，與只由一種載流子參與傳導(dǎo)的場(chǎng)效應(yīng)晶體管不同。（場(chǎng)效應(yīng)晶體管將在第七、八兩章中進(jìn)行討論。）,在放大電路中，晶體管是一個(gè)優(yōu)良的放大元件，工作在放大區(qū)域。在開關(guān)電路中，晶體管作為優(yōu)良的開關(guān)元件而被廣泛使用在計(jì)算機(jī)和自動(dòng)控制領(lǐng)域中，此時(shí)晶體管工作在截止區(qū)（斷開）或飽和區(qū)（接通），從而在電路中起到開關(guān)的作用。 晶體管的開關(guān)特性包括兩部分，一部分是晶體管處于開態(tài)和關(guān)態(tài)時(shí)端電流電壓間的靜態(tài)特性，另一部分是在開態(tài)和關(guān)態(tài)之間轉(zhuǎn)換時(shí)，電流電壓隨時(shí)間變化的瞬態(tài)特性。 晶體管由截

3、止區(qū)轉(zhuǎn)換到飽和區(qū)，或由飽和區(qū)轉(zhuǎn)換到截止區(qū)，可以通過(guò)加在其輸入端的外界信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)，因此轉(zhuǎn)換速度極快，可達(dá)每秒幾十萬(wàn)次到幾百萬(wàn)次，甚至更高。,5.1 二極管的開關(guān)作用和反向恢復(fù)時(shí)間,利用二極管正、反向電流相差懸殊這一特性，可以把二極管作開關(guān)使用。當(dāng)開關(guān)K打向A時(shí)，二極管處于正向，電流很大，相當(dāng)于接有負(fù)載的外回路與電源相連的開關(guān)閉合，回路處于接通狀態(tài)（開態(tài)）；若把K打向B，二極管處于反向，反向電流很小，相當(dāng)于外回路的開關(guān)斷開，回路處于斷開狀態(tài)（關(guān)態(tài)）。,在開態(tài)時(shí)，流過(guò)負(fù)載的穩(wěn)態(tài)電流為I1,V1為外加電源電壓，VJ為二極管的正向壓降，對(duì)硅管VJ約為0.7V，鍺管VJ約為0.25V，RL為負(fù)載電阻。通常

4、VJ遠(yuǎn)小于V1，所以上式可近似寫為,在關(guān)態(tài)時(shí)，流過(guò)負(fù)載的電流就是二極管的反向電流IR。,把二極管作為開關(guān)使用時(shí)，若回路處于開態(tài)，在“開關(guān)”（即二極管）上有微小壓降；當(dāng)回路處于關(guān)態(tài)時(shí)，在回路中有微小電流，這與一般的機(jī)械開關(guān)有所不同。,說(shuō)明,二極管的反向恢復(fù)時(shí)間,假設(shè)外加脈沖的波形如圖5-6(a)所示，則流過(guò)二極管的電流就如圖5-6(b)所示。,導(dǎo)通過(guò)程中（外電路加以正脈沖），二極管P區(qū)向N區(qū)輸運(yùn)大量空穴，N區(qū)向P區(qū)輸運(yùn)大量電子。 隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，N區(qū)內(nèi)空穴和P區(qū)內(nèi)電子不斷增加，直到穩(wěn)態(tài)時(shí)停止。在穩(wěn)態(tài)時(shí)，流入N區(qū)的空穴正好與N區(qū)內(nèi)復(fù)合掉的空穴數(shù)目相等，流入P區(qū)的電子也正好與P區(qū)內(nèi)復(fù)合掉的電子數(shù)目相

5、等，達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，流過(guò)P-N結(jié)的電流為一常數(shù)I1。 隨著勢(shì)壘區(qū)邊界上的空穴和電子密度的增加，P-N結(jié)上的電壓逐步上升，在穩(wěn)態(tài)即為VJ。此時(shí)，二極管就工作在導(dǎo)通狀態(tài)。,當(dāng)某一時(shí)刻在外電路上加的正脈沖跳變?yōu)樨?fù)脈沖，此時(shí)，正向時(shí)積累在各區(qū)的大量少子要被反向偏置電壓拉回到原來(lái)的區(qū)域，開始時(shí)的瞬間，流過(guò)P-N結(jié)的反向電流很大，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后，原本積累的載流子一部分通過(guò)復(fù)合，一部分被拉回原來(lái)的區(qū)域，反向電流才恢復(fù)到正常情況下的反向漏電流值IR。正向?qū)〞r(shí)少數(shù)載流子積累的現(xiàn)象稱為電荷儲(chǔ)存效應(yīng)。二極管的反向恢復(fù)過(guò)程就是由于電荷儲(chǔ)存所引起的。反向電流保持不變的這段時(shí)間就稱為儲(chǔ)存時(shí)間ts。在ts之后，P-N結(jié)上的

6、電流到達(dá)反向飽和電流IR，P-N結(jié)達(dá)到平衡。定義流過(guò)P-N結(jié)的反向電流由I2下降到0.1 I2時(shí)所需的時(shí)間為下降時(shí)間tf。儲(chǔ)存時(shí)間和下降時(shí)間之和（ts+tf）稱為P-N結(jié)的關(guān)斷時(shí)間（反向恢復(fù)時(shí)間）。,反向恢復(fù)時(shí)間限制了二極管的開關(guān)速度。 如果脈沖持續(xù)時(shí)間比二極管反向恢復(fù)時(shí)間長(zhǎng)得多，這時(shí)負(fù)脈沖能使二極管徹底關(guān)斷，起到良好的開關(guān)作用； 如果脈沖持續(xù)時(shí)間和二極管的反向恢復(fù)時(shí)間差不多甚至更短的話，這時(shí)由于反向恢復(fù)過(guò)程的影響，負(fù)脈沖不能使二極管關(guān)斷。 所以要保持良好的開關(guān)作用，脈沖持續(xù)時(shí)間不能太短，也就意味著脈沖的重復(fù)頻率不能太高，這就限制了開關(guān)的速度。,5.2 開關(guān)晶體管的靜態(tài)特性,晶體管共射開關(guān)電路

7、原理圖,VBB 偏置電壓 RL 負(fù)載電阻,當(dāng)基極回路中輸入一幅值VI遠(yuǎn)大于VBB的正脈沖信號(hào)時(shí)， 基極電流立即上升到,在驅(qū)動(dòng)電流IB的作用下，發(fā)射結(jié)電壓降逐漸由反偏變?yōu)檎?，晶體管由截止變?yōu)閷?dǎo)通，集電極電流也將隨著發(fā)射結(jié)正向壓降的上升而增大。 當(dāng)集電極電流增加到負(fù)載電阻上的壓降ICRL達(dá)到或者超過(guò)VCC-VBE時(shí)，集電結(jié)將變?yōu)榱闫?，甚至正偏，發(fā)射結(jié)上的壓降很小，C和E之間近似短路，相當(dāng)于圖中CE間的開關(guān)K閉合。 因此，當(dāng)晶體管導(dǎo)通后，在集電極回路中，晶體管相當(dāng)于一個(gè)閉合開關(guān)。,當(dāng)基極回路的輸入脈沖為負(fù)或等于零時(shí)，晶體管的發(fā)射結(jié)和集電結(jié)都處于反向偏置狀態(tài)。這時(shí)晶體管工作在截止區(qū)，集電極電流IC=

8、ICEO，對(duì)于性能良好的晶體管，ICEO一般很小，負(fù)載電阻上壓降很小，集電極和發(fā)射極之間的壓降VCEVCC。 因此，當(dāng)晶體管處于截止?fàn)顟B(tài)時(shí)，晶體管相當(dāng)于一斷開的開關(guān)。,將晶體管導(dǎo)通后，工作在飽和區(qū)的開關(guān)電路，稱為飽和開關(guān)。飽和開關(guān)接近于理想開關(guān)。 而把晶體管工作在放大區(qū)的開關(guān)電路，稱為非飽和開關(guān)。這種工作模式，一般用在高速開關(guān)電路中。,晶體管的開關(guān)作用，是通過(guò)基極控制信號(hào)（IB），使晶體管在飽和（或?qū)ǎB(tài)與截止態(tài)之間往復(fù)轉(zhuǎn)換來(lái)實(shí)現(xiàn)的。 它與理想開關(guān)的主要差別在于開態(tài)時(shí)晶體管開關(guān) 上的壓降 ；關(guān)態(tài)時(shí)回路中還存在一 定的電流ICEO，因而回路電流 。,小結(jié),練習(xí),P106 1，4，5,開關(guān)晶體管

9、的工作狀態(tài),晶體管的工作狀態(tài)完全由直流偏置情況決定。從共射輸出特性曲線上可以看出，隨著偏置電壓的不同，晶體管的工作區(qū)域可以分為飽和區(qū)、放大區(qū)和截止區(qū)三個(gè)區(qū)域。 此外，當(dāng)晶體管的發(fā)射極和集電極相互交換，晶體管處于倒向運(yùn)用狀態(tài)時(shí)，也應(yīng)該同樣存在上述三個(gè)區(qū)域。,為了分析開關(guān)特性的需要，我們將倒向（反向）放大區(qū)也一并提出進(jìn)行分析。,發(fā)射結(jié)和集電結(jié)的偏置情況， 集電極輸出電流IC和基極輸入電流IB之間的關(guān)系,飽和區(qū),飽和區(qū)的特點(diǎn)是發(fā)射結(jié)正偏VBE0，集電結(jié)也處于正偏，VBC0，集電極電流和基極電流間滿足ICIB的關(guān)系。,基極回路中輸入一幅值VIVBB的正脈沖，基極電流IB將立即跳變，晶體管將沿著輸出特性

10、的負(fù)載線，由截止區(qū)進(jìn)入放大區(qū)。這時(shí)，集電極電流IC隨著IB的增大而很快上升，管壓降VCE則隨著IC的增大而下降。當(dāng)管壓降下降到VCE=VCC-ICRL=VBE時(shí)，集電結(jié)由反偏變?yōu)榱闫?，使集電結(jié)收集載流子的能力減弱，IC隨IB增長(zhǎng)的速度開始變慢，這時(shí)晶體管即進(jìn)入臨界飽和狀態(tài)。,臨界飽和時(shí)集電極電流,晶體管達(dá)到臨界飽和時(shí)的基極驅(qū)動(dòng)電流，稱為臨界飽和基極電流IBS。,若基極驅(qū)動(dòng)電流IBIBS，則晶體管將處于過(guò)驅(qū)動(dòng)狀態(tài)，過(guò)驅(qū)動(dòng)電流,過(guò)驅(qū)狀態(tài)下，集電結(jié)正偏，晶體管處于飽和狀態(tài)，過(guò)驅(qū)動(dòng)電路越大，飽和深度越深。,晶體管的飽和程度，可以用飽和深度S來(lái)描述。,臨界飽和，S=1 深度飽和，S1,截止區(qū),發(fā)射結(jié)反偏

11、，集電結(jié)反偏，IC=ICEO0。,基極電流IB則由這兩個(gè)電流組成，因而IBIEBO+ICBO。由于基極電流很小，因此，可以用輸出特性曲線中IB=0的一條線作為放大區(qū)和截止區(qū)的分界線。,5.3 晶體管開關(guān)的動(dòng)態(tài)特性,為使晶體管具有良好的開關(guān)狀態(tài)，有以下五個(gè)要求： （1）ICE0小，使開關(guān)電路截止時(shí)接近于斷路（開路），關(guān)斷性良好； （2）VCES小，使開關(guān)電路接通時(shí)接近于短路狀態(tài)，接通性良好； （3）開關(guān)時(shí)間盡可能短，這點(diǎn)將在以后內(nèi)容中詳細(xì)分析； （4）啟動(dòng)功率小，啟動(dòng)功率是晶體管從截止態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)轱柡蛻B(tài)時(shí)所需的功率IBVBES； （5）開關(guān)功率大，即要求在截止態(tài)時(shí)能承受較高的反向電壓，在導(dǎo)通時(shí)，允許

12、通過(guò)較大的電流；,非飽和開關(guān)電路：工作在截止區(qū)和放大區(qū)，開關(guān)速度快，但對(duì)晶體管的參數(shù)均勻性要求高，輸出電平也不夠穩(wěn)定。 飽和開關(guān)電路：工作在截止區(qū)和飽和區(qū)，輸出電平較穩(wěn)定，對(duì)晶體管參數(shù)的均勻性要求不高，電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單；只是開關(guān)速度慢。,飽和開關(guān)電路和非飽和開關(guān)電路的比較,開關(guān)過(guò)程的動(dòng)態(tài)分析（NPN管）,延遲過(guò)程,上升過(guò)程,超量?jī)?chǔ)存電荷消失過(guò)程,下降過(guò)程,延遲過(guò)程,t=t1時(shí)，IC才上升到0.1ICS，時(shí)間td= t1 - t0稱為延遲時(shí)間。,上升過(guò)程,在t=t2時(shí)刻，IC達(dá)到0.9ICS，tr=t2- t1稱為上升時(shí)間。,上升過(guò)程中，由于電流過(guò)驅(qū)動(dòng)而儲(chǔ)存電荷，載流子積累過(guò)程中存在載流子的復(fù)合，復(fù)合使積累速度變慢。,超量?jī)?chǔ)存電荷消失過(guò)程,當(dāng)t=t4時(shí)，IC=0.9ICS，定義ts=t4-t3為儲(chǔ)存時(shí)間。,下降過(guò)程,集電極電流IC也就從0.9ICS逐步下降到0.1ICS，在t=t5時(shí)，IC=0